0 引 言

　　地震烈度是人們了解和研究地震的最早建立并用于描述地震影響強度的標度。地震烈度的概念不僅在地震學和地震工程學領域中仍有著廣泛的應用，而且在防震減災的各個環節中繼續起著重要作用。顯然，最初人們用宏觀描述的方法評定一個地區遭受的地震影響程度存在局限性，因此在上世紀90年代全日本即實現了儀器測定地震烈度的實用化，現在日本發布的地震烈度等級是由地震烈度計測定的烈度。當前國內外已建設的城市地震災害速報系統一般以地震烈度計觀測系統為主體。日本東京煤氣公司在1994年就完成了由331臺譜烈度計、20臺液化傳感器和5臺強震儀構成的地震監測與震害快速評估系統(SIGNAL)。阪神地震取得顯著的減災效益后，東京煤氣公司于1997年～2007年的十年間布設了3 800個新型地震譜烈度計。

　　目前我國儀器測定地震烈度是通過強震儀觀測數據換算得到的。但強震儀結構相對復雜，制造成本很高，不便于大規模布設，而大量應用國外地震烈度測定儀器也不現實，因此自主開發我國適用的地震烈度傳感器很有必要。

　　近年來，傳感器網絡研究和應用已成為熱點。專業傳感元器件產品也在向小型化、高精度發展，傳感器的發展出現了智能化、網絡化的新趨勢而非傳統的單純檢測功能。網絡傳感器以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感器、信號處理器和網絡接口，由于引入了微處理器，采用了嵌入式技術和集成技術，使傳感器的體積減小，抗干擾性能和可靠性得到提高，同時提高了控制系統的實時性和可靠性；網絡接口技術的應用，為系統的擴充提供了極大的方便，具有便于遠程操作、維護簡單、實時監控等優點。因此，嵌入式系統和網絡技術在地震觀測領域已得到廣泛應用。

　　鑒于此，新開發的SI一2型地震烈度計不只是一個單純的地震烈度檢測儀器，而是一個高度集成的網絡化傳感器，它集成了地震烈度感知器件、采集模塊、嵌入式處理器與存儲器、通信器件、嵌入式軟件系統等，具有數據采集、數據存儲、數據通訊、定位等功能，可以通過無線方式接入IPv6網絡。應用SI一2型地震烈度計搭建的基于IPv6的地震傳感器示范網絡，在地震監測預警、地震應急快速響應以及減輕地震災害方面有著廣泛的應用前景。

　　1 系統架構

　　基于IPv6的SI一2型地震烈度計的軟、硬件資源由加速度傳感器，數據采集模塊(A／D)，電源，嵌入式系統(CPU)，符合802．11b標準的無線網卡，GPS，內置測控軟件等模塊構成。市場上現有的嵌入式系統自帶的操作系統一般是Linux 2．4內核，為支持IPv6須將操作系統的內核進行重新編譯，升級為2．6版本內核。圖1所示是SI一2型地震烈度計的總體架構。

　　2 主要部件選型

　　2．1 傳感部件

　　選用美國Freescale公司出品的MMA7260Q低功耗微型電容式三軸向加速度傳感器。傳感器自身具有信號調理、一階低通鋁箔和溫度補償、高靈敏度、低噪聲、低功耗、線性輸出、自檢等特點。測量范圍：+／-2 g，測量精度：O．2μg。

　　2．2 數據采集A／D

　　地震烈度通過測量加速度換算而得，依據中國地震烈度表，最大的地震烈度2 g對應的加速度在200 cm／s2左右，采用10位A／D進行采樣，其加速度分辨率為0．04 g，對應的烈度分辨率為O．024度，遠高于人們所能接受的精度。

　　2．3 嵌入式系統

　　嵌入式系統采用三星公司基于ARM微處理器的S3C2410X。S3C2410X采用6層板設計，使用ARM920T內核，內部帶有全性能的MMU(內存處理單元)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優良特性。在盡可能小的板面上集成了64 MB SDRAM、64 MB NAND FLASH，1 MB BOOT FLASH，RJ 45網卡，USB Host，標準串口，SD卡插座等。可集成嵌入式無線局域網設備，實現數據采集和無線傳輸。

　　2．4 定位模塊

　　選用的GPS模塊，接收特性：16通道，L1，C／A碼；自帶陶瓷天線；啟動時間：冷啟動45 s、溫啟動38 s、熱啟動2～8 s；精度<2．5 m CEP；再捕獲<1 s，1PPS；刷新頻率：4 Hz；內置LNA；速度<4 g。

　　2．5 通訊部件

　　考慮到地震行業地震觀測的實際需要，采用了符合IEEE802．11b的無線網卡和通信距離達到1.2km的無線AP構成通信鏈路，作為SI一2型地震烈度計的無線通訊單元。

　　2．6 電源模塊

　　選用可充電的鋰電池組作為供電電源，便于長期重復使用。電池組容量為60 Ah。

　　3 系統功能實現

　　3．1 SI一2型地震烈度傳感器的IPv6化

　　ARM嵌入式系統自帶的操作系統一般是Linux2．4內核的，為支持IPv6須將操作系統的內核進行重新編譯，升級為2．6版本內核。但Linux 2．6內核重編譯是一個比較復雜的過程，具體步驟如下：

 　　3．1．1 建立交叉編譯環境

　　在RedHat9的主機上進行內核移植開發，首先需要建立交叉編譯環境。由于2．6內核中采用了一些新的特性和指令，需要采用較新的工具集。采用 binutils一2．15，gcc一3．4．2，glibc一2．2．5，linux一2．6．8，glibc—linuxthreads-2．2．5 來建立交叉編譯工具鏈，建立之后將工具鏈路徑加入系統路徑MYMPATH中。

　　3．1．2 內核修改

　　Linux 2．6．11．7內核加入了對S3C2410芯片的支持，不再需要任何補丁文件。修改內核源碼中Makefile的交叉編譯選項 ARCH="arm"，CROSS COMPILE="arm"—linux一。針對硬件配置，需要在arch／arm／mach—s3c2410／devs．c或者smdk2410．c中添加 FLASH的分區信息s3c nand info。然后在s3c device nand中增加．dev={．platform data=&s3c nand info}，在arch／arm／mach—s3c2410／mach—smdk2410．c中的initdata部分增加&s3c device nand，使內核在啟動時初始化NAND FLASH信息。

　　3．1．3 內核編譯加載

　　由于2．6內核會根據本地系統配置進行初始設置，可以導入內核源碼默認S3C2410的配置文件，方便加載內核基本配置，然后再選擇所需選項。對MTD配置選擇支持MTD設備驅動以及NAND FLASH驅動；選擇支持要用到的各類文件系統(DEVFS，TMPFS，CRAMFS，YAFFS，EXT2，NFS)以及網絡設備和協議，本傳感器系統加載了網絡芯片CS8900以及USB支持；在H．264多媒體系統中還需要加載Frame buff—er以支持LCD顯示功能。使用交叉編譯工具編譯內核源碼后，會在arch／arm／1boot／下生成名為zImage的內核映像，在 Boot loader的命令提示模式下使用下載命令完成內核加載到開發板的存儲設備FLASH中。

　　3．1．4 文件系統定制

　　Linux采用文件系統來組織系統中的文件和設備，為設備和用戶程序提供統一接口。Linux支持多種文件系統，本系統使用CRAMFS格式的只讀根文件系統，而將FLASH中的USER區使用支持可讀寫的YAFFS文件系統格式，方便添加自己的應用程序。

　　3．2 地震烈度計主要硬件設備驅動

　　3．2．1 網絡設備驅動

　　系統中采用CS8900A的lO Mb／s網絡芯片，它使用S3C2410的nGCS3和IRQ_EINT9，相應修改linux／arch／arm／mach— s3c2410／irq．c，并在roach—smdk24．10．c的smdk2410_iodesc[]中增加 {SMDK2410_ETH_IO，S3C2410_CS2，SZ_1M，MT_DEVICE}，內核源碼中加入芯片的驅動程序 drivers／net／arm／cs8900．h和cs8900．c，并且配置網絡設備驅動的Makefile和Kcon—fig文件，加入 CS8900A的配置選項，這樣可以在內核編譯時加載網絡設備的驅動。

　　3．2．2 無線網卡驅動程序

　　從網上下載rt2x00的IPv4環境下的驅動程序，并針對該程序進行IPv6化改造，對其驅動程序進行修改，在系統重編譯的時候，將驅動程序加入到系統的內核中。將無線網卡的驅動程序作為一個模塊打包到操作系統中，可避免系統掉電后每次都要重裝無線網卡驅動程序。

　　3．3 地震烈度計終端的軟件設計

　　通訊傳輸軟件主要負責完成傳感器與業務服務系統之間的IPv6數據通信，軟件功能如下：

(1)傳感器在成功接入到IPv6傳感器網絡后主動．向業務服務器發送傳感器上線通知；
(2)傳感器在成功上線后每隔30 s主動采集烈度傳感器的烈度值并上報給業務服務器；
(3)進行GPS時間校準；
(4)進行GPS定位(每隔8 min重新定位一次并上報定位數據)；
(5)業務服務器每隔10 min請求一次傳感器配置參數；
(6)響應業務服務器的配置參數請求、數據請求、歷史數據請求、是否在線響應。
通訊軟件包括：GPS數據處理子程序，A／D數據采集子程序，通訊子程序和傳感器配置文件。對于不同的傳感器，需要修改配置文件中的傳感器IP、傳感器ID和傳感器序列號。傳感器終端軟件結構見圖2。

 　　4 性能指標和功能特點

　　4．1 性能指標

(1)網絡通信協議：IEE802．11b，IEEE802．11g，IPv4，IPv6；
(2)通信頻率：2．412～2．462 GHz；
(3)通信速率：54 Mb／s，48 Mb／s，36 Mb／s，
24 Mb／s，18 Mb／s，12 Mb／s，11 Mb／s，9 Mb／s，
6 Mb／s，5．5 Mb／s，2 Mb／s，1 Mb／s；
(4)動態范圍：±4g；
(5)分辨率：±4mg；
(6)工作距離：室內40 m，室外330 m，配合增益天線最大可達1 200 m
(7)功耗：≤1．5 W
(8)GPS定位精確度：水平：<6 m(50％)，<9 m(90％)，高度<11 m(50％)，<18 m(90％)，速度0．06 m／s。

　　4．2 功能特點

(1)無線和有線方式均支持IPv6；
(2)采用集成電路方式的傳感器，環境適應性強；
(3)入網自動發現；
(4)GPS自動定位、時間校準。

　　5 結 語

　　介紹了基于無線IPv6的SI一2型地震烈度計的技術設計和實現，該儀器建立在嵌入式Linux和ARM處理器的基礎上，集成了信息感知、數據采集、處理、供電、定位、通訊等功能，具有功耗低、體積小、成本低及便于布設等優點。

　　隨著我國無線網絡的擴展和帶寬的提升，國家和社會公眾對地震安全的重視，該儀器將在國家地震預警、生命線工程自動緊急處置、地震立體觀測等系統建設以及震后應急流動加密觀測中得到廣泛應用，為減輕地震災害損失做出重要貢獻。